Символическая запись технологического процесса

Проектированию логических схем предшествует обычно разработка технического задания.

Словесное описание составляют на первых этапах проектирования. Оно обладает полнотой, но очень объемно и трудно анализируется.

Технологическая схема значительно упрощает анализ и придает «зримость» процессу, позволяет легко проследить пути следования продукта, механизмов и т.п. При хорошо выполненной по словесному описанию технологической схеме большая часть анализа проводится без использования самого описания.

Следующим шагом в направлении алгоритмизации технологического процесса является его описание с помощью символов.

В таблице 3.8 приведены буквенные обозначения для рассмотренного выше примера.

Таблица 3.8 – Буквенноеобозначениеэлементов

Алгоритм функционирования в соответствии с приведенным выше словесным описанием технологического процесса имеет вид:

На базе этого алгоритма составляется общая таблица включения, приведенная ниже.

Таблица 3.9 – Общая таблица включения

№ п/п

Вес

Эле мент

Такты

a

–

+

–

c1

–

+

X1

–

+

C2

–

+

X2

–

+

X3

–

+

–

X4.1

–

+

–

b1

–

+

b2

–

+

X5.1

–

+

–

b3

–

+

b4

–

+

X4.2

–

X5.2

–

Вес элементов

Y

-

Вес элементов

Продолжение таблицы 3.9

№ п/п

Вес

Эле мент

Такты

a

c1

–

X1

–

C2

–

X2

–

X3

+

–

X4.1

b1

–

b2

–

X5.1

b3

–

b4

–

X4.2

+

–

X5.2

+

–

Вес элементов

Y

+

–

Вес элементов

Каждому элементу схемы присваивается вес (т.е. число), определяемый по формуле:

,

(3.35)

где N – вес элемента; n – порядковый номер элемента в таблице включения.

Момент времени, в течение которого срабатывает один элемент, называется тактом.

В общей таблице для каждого такта определяется сумма весов включенных элементов.

Если веса состояний ни в одном из тактов не повторяются, то схема реализуется, если веса повторяются, то такую схему из включенных в таблицу элементов реализовать нельзя, и в нее следует включить дополнительные элементы, в качестве которых используются промежуточные реле.

В нашей таблице повторяются веса 14 и 30, что создает две совмещенные зоны нереализуемости. Избавиться от них можно, включая дополнительный элемент внутри (или вне) зоны нереализуемости и выключая его вне (или внутри) этой зоны. Как вариант можно предложить включение реле Y внутри зоны (17-й такт) и отключение вне зоны (31-й такт). После добавления реле веса состояний не повторяются, и схема становится реализуемой.

Важно отметить, что определение весов состояний по формуле (3.35) ведет к очень громоздким цифрам. Поэтому при большом числе элементов можно рекомендовать следующий порядок присвоения весов (табл. 3.10). Для уменьшения ширины столбца вместо весов элементов можно записать код весов, который определяется по формуле:

,

(3.36)

где N – вес элемента; М – цифра в разряде числа; n – разряд числа.

Таблица 3.10 – Порядок присвоения весов

При составлении таблиц включения необходимо обратить внимание на одну особенность, связанную с тем случаем, когда одним из элементов схемы является реле времени, которое содержит контакты, включаемые с выдержкой времени. В этом случае для включения таких контактов следует выделить дополнительный такт.

В отличие от общих таблиц включения частные таблицы составляются для каждого исполнительного элемента, для реле времени и для промежуточных реле. В нашем примере частные таблицы составляются для элементов Х₁, Х₂, Х₃, Х_4.1, Х_4.2, Х_5.1 и Х_5.2 , а также для реле Y.

По пути сделаем два определения. Тактом срабатывания будет называться такт, предшествующий включению исполнительного элемента, а тактом отпускания – такт, предшествующий выключению этого элемента.

Частная таблица считается реализуемой, если веса состояний, подсчитанные для тактов срабатывания и отпускания, не повторяются в других тактах. В табл. 3.11 приведена частная таблица для элемента Х₁.

Для ее составления необходимо из общей таблицы перенести строчки Х₁ (т.е. того элемента, для которого составляется таблица), с₁ (т.е. того элемента, который включается в такте срабатывания) и Х₂ (т.е. того элемента, который срабатывает в такте отпускания). Затем веса суммируются. При этом оказалось, что числа, полученные в тактах срабатывания Х₁ (2-й такт) и отпускания (28-й такт), т.е. выделенные цифры 2 и 3, в других тактах повторяются. Чтобы избавиться от этих повторений, в таблицу добавляются элементы a (этот элемент включает Х₁) и Y (этот элемент делает схему реализуемой).

В табл. 3.12 приведена частная таблица включения для элемента Х₂.

Как и в предыдущем случае в таблицу из общей таблицы перенесем строчки Х₂ (элемента, для которого составляется таблица), с₂ (элемента, включенного в такте срабатывания) и Х_5.2 (элемента, выключенного в такте отпускания). Так как сумма весов в такте срабатываний 2 и сумма весов в такте отпускания 3 повторяются в других тактах, то частная таблица не реализуется. Для достижения реализации включается промежуточное реле Y, но этого оказалось недостаточно. В таких случаях приходится добавить еще один элемент (желательно такой, который имеет свободные контакты – например, конечный выключатель), в данном случае b₄.

В табл. 3.13 приведена частная таблица включения для элемента Х₃.

Особенность этой таблицы заключается в том, что элемент Х₃ включается дважды. Первое срабатывание элемента Х₃ обеспечивают элементы Х₂ и Х₄, а второе – элементы Y и Х₅.

При этом веса в тактах срабатывания (6-м и 17-м) и тактах отпускания (11-м и 22-м) повторяются в других тактах. Добавление элемента b₁ позволяет избавиться от этого повторения и делает таблицу реализуемой.

Рекомендуется самостоятельно составить частные таблицы для остальных элементов (Х_4.1, Х_4.2, Х_5.1, Х_5.2, Y).

Благодаря частным таблицам включений для каждого исполнительного элемента можно составить математическую формулу его схемы

,

(3.37)

где f_сраб – алгебраическое произведение контактов, которые обеспечивают включенное состояние в такте срабатывания;

f_отп – алгебраическое произведение контактов, обеспечивающих выключенное состояние в такте отпускания.

Для удобства пользования формулой 3.37 необходимо предварительно составить таблицу тактов срабатывания и отпускания (табл. 3.14).

Таблица 3.14 – Такты срабатывания и отпускания

Значения f_сраб и f_отп для каждого элемента представлены в таблице 3.15.

Таблица 3.15 – Функции срабатывания и отпускания

для элементов схемы

Исполнительный элемент	1-е включение	2-е включение
fсраб	fотп	fсраб	fотп
Х1
Х2
Х3
Х4.1
Х4.2
Х5.1
Х5.2
Y

Для составления табл. 3.15 необходимо: для каждого исполнительного элемента составить произведение, в которое включаются все элементы (кроме того, для которого составляется таблица), включенные в частную таблицу этого элемента, а затем расставить значение инверсии над теми элементами, которые в соответствующих тактах срабатывания или отпускания разомкнуты.

Пользуясь табл. 3.15, определим значения F_X для всех исполнительных элементов:

Если элемент срабатывает несколько раз, то:

.

(3.38)

Поэтому для элемента Х₃, который срабатывает два раза за цикл

Дальнейшее упрощение формул производится с помощью таблиц покрытий, которые составляются для каждого элемента следующим образом. Рассмотрим составление этих таблиц на примере элемента X₁ (табл. 3.16). В первый столбец включаются все слагаемые выражения F_X1 и такты, начиная с такта срабатывания и по такт отпускания (исключая его). Все такты, в которых данное слагаемое замкнуто, отмечаются крестиком.

Важно отметить, что во всех тактах, начиная со 2-го и по 27-й, F_X1 должно быть замкнуто. Поэтому второе и четвертое слагаемое из общего выражения для F_X1 должны быть исключены, т.к. они никакой полезной работы не производят. Поэтому

.

(3.39)

Добавим к этому выражению слагаемое , равное 0, тогда:

(3.40)

Это и есть формула контактной цепи катушки X₁.

Как видно из таблицы 3.17, второе слагаемое не производит никаких включений и, следовательно, должно быть исключено из схемы. На первый взгляд следует исключить и четвертое слагаемое. Однако четвертое слагаемое исключать нельзя. Дело в том, что после 14-го такта может произойти ненужное отключение, т.к. первое слагаемое может разомкнуть схему, а пятое слагаемое не успеет ее включить. Произойдет моментальное «ложное» отключение, которое отключит элемент X₂. Поэтому стык между четырнадцатым и пятнадцатым тактом должен быть закрыт.

Таблица 3.16 – Таблица покрытия для элемента X₁

№ п/п

Слагаемые

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

Таблица 3.17 – Таблица покрытия для элемента X₂

№ п/п

Слагаемые

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

Окончательно формула для X₂ будет иметь вид:

(3.41)

Таблица 3.18 – Таблица покрытия для элемента X₃

№ п/п	Слагаемые
		×	×
							×	×
				×	×	×
									×	×	×
								×	×	×
			×	×

Из табл. 3.18 следует исключить лишь третью строчку, так как шестая и седьмая обеспечивают стыки. Тогда:

(3.42)

Таблица 3.19 – Таблица покрытия для элемента X4.1 № п/п Слагаемые × × ×

Таблица 3.20 – Таблица покрытия для элемента X4.2 № п/п Слагаемые × × ×

Таблица 3.21 – Таблица покрытия для элемента X5.1 № п/п Слагаемые × × ×

Таблица 3.22 – Таблица покрытия для элемента X5.2 № п/п Слагаемые × × ×

Как следует из таблиц покрытия для элементов X_4.1, X_4.2, X_5.1 и X_5.2 (табл. 3.19 – 3.22), в формулы для этих элементов входит лишь верхняя строка этих таблиц, т.е.:

,

(3.43)

,

(3.44)

,

(3.45)

.

(3.46)

Таблица 3.23 – Таблица покрытия для элемента Y

№ п/п

Слагаемые

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

В таблице покрытия для элементаY второе слагаемое вообще не работает и его следует исключить сразу, а четвертое работает только в тех тактах, в которых работает третье (и то не во всех). Поэтому четвертое слагаемое должно быть исключено. Окончательно формула для элемента Y будет иметь вид:

.

(3.47)

По формулам 3.40 – 3.47 составляются принципиальные схемы управления исполнительными элементами.

Рисунок 3.2 – Принципиальная схема управления для X₁

в обозначениях алгебры логики

Рисунок 3.3 – Принципиальная схема управления для X₂

в обозначениях алгебры логики

Рисунок 3.4 – Принципиальная схема управления для X₃

в обозначениях алгебры логики

Рисунок 3.5 – Принципиальная схема управления для X_4.1

в обозначениях алгебры логики

Рисунок 3.6 – Принципиальная схема управления для X_4.2

в обозначениях алгебры логики

Рисунок 3.7 – Принципиальная схема управления для X_5.1

в обозначениях алгебры логики

Рисунок 3.8 – Принципиальная схема управления для X_5.2

в обозначениях алгебры логики

Рисунок 3.9 – Принципиальная схема управления для Y

в обозначениях алгебры логики

Схемы (рис. 3.2 – 3.9), представленные в обозначениях алгебры логики, необходимо теперь выполнить в обозначениях ГОСТа. При этом необходимо учесть следующее:

1. Магнитные пускатели обозначаются КМ. Промежуточные реле – KV. Кнопки – SB. Конечные выключатели – SQ. Датчик оборотов – BR. Датчик уровня – BL.

2. Справа против каждой катушки магнитного пускателя надо указать какой механизм она включает и сколько каких (замыкающих и размыкающих) контактов она содержит (рис. 3.10).

3. Для удобства выполнения схем соединений все провода должны иметь цифровые обозначения, причем слева от катушки только нечетные.

4. Одновременно учитываются и графические обозначения.

Кроме того, в схемы добавляются все элементы, которые необходимо включить для цепей защиты, питания, перехода с режима на режим и т.д.

Так, в схему включаются тепловые реле, реле защиты по току и напряжению, понижающие трансформаторы (если какие-то элементы схемы питаются пониженным напряжением), выпрямители с необходимыми фильтрами и сглаживающими элементами (если выбранные элементы питаются постоянным напряжением), преобразователи частоты и т.д.

При необходимости схема может быть выполнена на бесконтактных элементах.

Рисунок 3.10 – Принципиальная электрическая схема

управления исполнительными элементами

ЛИТЕРАТУРА

1. Бородин И.Ф. Технические средства автоматики. – М.: Колос, 1982.

2. Бородин И.Ф., Кириллин Н.И. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов. – М.: Колос, 1977.

3. Бородин И.Ф., Недилько Н.М. Автоматизация технологических процессов. – М.: Агропромиздат, 1986.

4. Бородин И.Ф., Рысс А.А. Автоматизация технологических процессов. – М.: Колос, 1996.

5. Изаков Ф.Я., Попова С.А. Методические указания по выполнению курсовой работы «Анализ и синтез системы автоматической стабилизации» по дисциплине «Автоматика» для студентов специализации «Автоматизация технологических процессов». Ч. 2. Синтез линейной системы. – Челябинск: ЧГАУ, 1998.

6. Изаков Ф.Я., Попова С.А. Энергосберегающие системы автоматического управления микроклиматом. – Челябинск: ЧИМЭСХ, 1988.

7. Изаков Ф.Я., Попова С.А., Шмаков Б.В. Синтез логических схем автоматики: учеб. пособие. – Челябинск: ЧГАУ, 1999.

8. Изаков Ф.Я., Ройтман А.Х. Задачник по теории автоматического управления. – М.: Агропромиздат, 1991.

9. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. – М., 1986.

10. Кофлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. – М.: Мир, 1979.

11. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления. – М.: Высшая школа, 1973.

12. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. – М.: Машиностроение, 1982.

13. Теория автоматического управления. В 2-х частях. Ч. 1 и 2/ под ред. Воронова А.А. – М.: Высшая школа, 1977.

14. Тутевич В.Н. Телемеханика. – М.: Высшая школа, 1985.

15. Шавров А.В., Коломиец А.П. Автоматика. – М.: Колос, 2000.

16. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. – Л.: Энергия, 1975.

Содержание

Литература ………………………………………………………..183

Учебное издание

Изаков Феликс Яковлевич

Попов Виталий Матвеевич

Попова Светлана Александровна

Рычкова Нина Михайловна